Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин

 

Изобретение относится к области газодобывающей промышленности и предназначено для измерения расхода газа и количества песка в продукции эксплуатационных газовых скважин. Задачей изобретения является измерение расхода газа и количества песка в продукции эксплуатационных газовых скважин с необходимой точностью в широком диапазоне изменения режимов работы скважин. Для этого в заявляемое устройство введен измерительный канал песка, что позволило расширить функциональные возможности устройства при использовании его на газовых скважинах. В измерительный канал расхода газа введен управляемый масштабирующий усилитель, оптимальный коэффициент усиления которого задается микропроцессорным контроллером. Это позволило повысить точность измерения расхода газа. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области газодобывающей промышленности и может быть использовано при измерении расхода газа и количества песка в продукции эксплуатационных газовых скважин.

Известно устройство для контроля твердых примесей в газожидкостных потоках, состоящее из акустического зонда и регистрирующего блока. Акустический зонд состоит из приемного стержня и пьезокристаллического датчика, помещенного в корпус, устанавливаемый на трубопроводе посредством бобышки. Пьезоэлектрический датчик соединен кабелем с блоком регистрации, который содержит последовательно соединенные усилитель, фильтр высоких частот, формирователь сигнала, индикатор и блок сигнализации, контроля и управления, связанный с исполнительным механизмом (см. патент SU N 1357795, кл. G 01 N 15/06, 1986 г.).

К недостаткам устройства следует отнести его узкие функциональные возможности, так как устройство не измеряет расход основных компонент газожидкостных потоков, а также невысокую точность измерения количества твердых примесей, так как подавление сигнала помехи возложено на элементы конструкции зонда, а при высоких дебитах, когда резко увеличивается интенсивность и эффективная полоса спектра турбулентности, один фильтр высоких частот не обеспечит четкого выделения информативной полосы частот.

Известно устройство для определения дебитов компонентов продукции скважин (жидкости и газа), содержащее измерительный модуль, включающий пьезокерамический датчик пульсаций давления и согласующий усилитель, подключенный к двум идентичным каналам, состоящим из фильтров соответственно нижних и верхних частот, блоков детектирования, блоков извлечения квадратного корня и интеграторов, причем выходы последних подключены к блоку вычитания сигналов, подсоединенного к регистраторам расходов жидкости и газа (см. патент РФ N 1060791, МПК E 21 B 47/00, 1991 г.).

Недостатком этого устройства является невысокая точность определения дебитов при изменении режимов работы скважин, когда в процессе контроля существенно изменяется расход. В этих случаях приходится работать при пониженном коэффициенте усиления, а следовательно, при низком соотношении "полезный сигнал - шум".

Присутствие в потоке газа значительного количества примесей (песка и водоглинопесчаной смеси) приводит к серьезным осложнениям в работе газопромыслового оборудования и к его разрушению. Поэтому контроль интенсивности выноса примесей и критических дебитов газа, при которых интенсивность выноса примесей существенно возрастает, становится необходимым на поздних этапах разработки газовых месторождений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, подключенный к входу согласующего усилительного блока, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контролера, выход которого подключен к второму входу масштабирующего усилителя (см. патент RU N 9103502 C1, кл. E 21 B 47/10, 27.01.98).

Недостатком известного устройства является невысокая точность определения дебитов при изменении режимов работы скважин, когда в процессе контроля существенно изменяется расход.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для одновременного измерения расхода газа и количества песка в продукции скважин с повышением точности измерения расхода газа.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, подключенный к входу согласующего усилительного блока, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к второму входу масштабирующего усилителя, согласно изобретению снабжено компаратором уровня и формирователем импульсов, причем блок фильтрации выполнен в виде первого и второго активных полосовых фильтров, согласующий усилитель выполнен в виде широкополосного согласующего усилителя, выход которого подключен ко входам первого и второго активных полосовых фильтров, выход первого активного полосового фильтра подключен к первому входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен ко второму входу масштабирующего усилителя, а выход второго активного полосового фильтра подключен ко входу компаратора уровня, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, выход которого подключен ко второму входу микропроцессорного контролера.

Функционирование предлагаемого устройства осуществляется в соответствии с зависимостями, связывающими расход газа со среднеквадратическим значением информативного сигнала, а количество песка - с количеством импульсов на выходе формирователя импульсов: Q_г = A · G² (1) где Q_г - расход газа; К_п - количество песка; G - среднеквадратическое значение сигнала в информативной полосе частот; S - количество импульсов на выходе формирователя импульсов за время измерения; V - скорость потока продукции скважины; A, B - коэффициенты, определяемые на стадии калибровки.

V = Q_г/F (4)
М - количество циклов измерения;
К - коэффициент усиления масштабирующего усилителя;
X_i - мгновенное значение сигнала в информативной полосе частот;
F - площадь поперечного сечения трубопровода.

Блок-схема устройства показана на фиг. 1. Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин состоит из измерительного модуля 1 и вторичного измерительного прибора 2.

В состав измерительного модуля входят пьезокерамический датчик 3 и широкополосный согласующий усилитель 4.

Во вторичный измерительный прибор входят первый и второй активные полосовые фильтры соответственно 5 и 6, управляемый масштабирующий усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 8, компаратор уровня 9, формирователь импульсов 10, а также микропроцессорный контроллер 11 с дисплеем 12 и клавиатурой 13.

Измерительный модуль 1 устанавливается на трубопроводе 14 на определенном расстоянии от специального сужающего устройства 15, устанавливаемого в трубопровод для более интенсивной турбулизации и формирования заданной структуры потока.

Вторичный измерительный прибор 2 выполнен переносным и может периодически подключаться к измерительному модулю 1. Устройство работает следующим образом.

Сигнал с пьезокерамического датчика 3 через широкополосный согласующий усилитель 4, служащий для предварительного усиления сигнала в широком частотном диапазоне и согласования высокоомного выходного сопротивления пьезокерамического датчика с выходным сопротивлением вторичного измерительного прибора 2, поступает на первый и второй активные полосовые фильтры 5 и 6, выделяющие сигналы для двух информационных каналов.

Первый активный полосовой фильтр 5 формирует информативную полосу частот канала "расход газа". Он выделяет и усиливает сигнал с частотными составляющими в диапазоне от десятков до сотен герц. С выхода активного полосового фильтра 5 сигнал поступает на первый вход масштабирующего усилителя 7. Оптимальный коэффициент усиления этого усилителя задается автоматически микропроцессорным контроллером 11, выход которого подан на второй вход масштабирующего усилителя 7. Выход масштабирующего усилителя соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 8, с выхода которого сигнал поступает на первый вход (последовательный цифровой вход) микропроцессорного контроллера 11. Микропроцессорный контроллер производит вычисления в соответствии с алгоритмом функционирования и по окончании измерений полученное значение индицируется на цифровом дисплее 12.

Формирование информационного сигнала канала "песок" производится следующим образом. Второй активный полосовой фильтр 6 выделяет и усиливает сигнал с частотными составляющими в диапазоне сотен килогерц. Выделенный и усиленный сигнал поступает на компаратор уровня 9. Порог срабатывания компаратора уровня настраивается заведомо выше уровня шумов. При появлении полезного сигнала с амплитудой выше порогового уровня компаратор уровня срабатывает и запускает формирователь импульсов 10. По общему числу импульсов можно судить об интенсивности ударного воздействия частиц песка. Импульсы с выхода формирователя импульсов 10 поступают на второй вход (вход внешнего прерывания) микропроцессорного контроллера 11. После соответствующей обработки информации в микропроцессорном контроллере полученное значение индицируется на цифровом дисплее 12.

Клавиатура 13 служит для ввода параметров процессора измерения.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера 11 приведен на фиг. 2. Он содержит следующие основные операторы.

По первому входу:
1 - пуск;
2 - подпрограмма самотестирования;
3 - подпрограмма инициализации ресурсов системы;
4 - ввод с клавиатуры количества циклов измерения М;
5 - обнуление накопителей каналов расхода газа и количества песка;
6 - инициализация коэффициента усиления K масштабирующего усилителя;
7 - чтение из АЦП мгновенного значения сигнала X_i в информативной полосе частот;
8 - накопление суммы (X_i/K)²;
9 - подпрограмма расчета оптимального K;
10 - вывод K на выход микропроцессорного контроллера;
11 - проверка окончания последнего цикла измерения;
12 - вычисление среднеквадратического значения G;
13 - вычисление расхода газа и количества песка по формулам (1) и (2) соответственно;
14 - вывод G_r и K_п на индикацию;
15 - конец.

По второму входу:
16 - старт подпрограммы обработки прерываний от формирователя импульсов;
17 - увеличение на единицу накопителя канала "песок";
18 - возврат в основную программу.

Формула изобретения

Устройство для контроля расхода компонентов продукции скважин, содержащее пьезокерамический датчик пульсаций давления потока, подключенный к входу согласующего усилительного блока, блок фильтрации, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому входу микропроцессорного контроллера, выход которого подключен к второму входу масштабирующего усилителя, отличающееся тем, что оно снабжено компаратором уровня и формирователем импульсов, причем блок фильтрации выполнен в виде первого и второго активных полосовых фильтров, согласующий усилитель выполнен в виде широкополосного согласующего усилителя, выход которого подключен ко входам первого и второго активных полосовых фильтров, выход первого активного полосового фильтра подключен к первому входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, а выход второго активного полосового фильтра подключен ко входу компаратора уровня, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, выход которого подключен ко второму входу микропроцессорного контроллера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2